模电课设-音频功率放大器报告

学号：课程设计题 目音频功率放大器的设计仿真与实现学 院 信息工程学院TOC\o"1-5"\h\z专 业班 级姓 名指导教师课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位： 信息工程学院题目： 音频功率放大器的设计仿真与实现初始条件：可选元件：集成功放，电容、电阻、电位器若干；或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，毫伏表等。要求完成的主要任务：(1)设计任务根据技术指标和已知条件，选择合适的功放电路，如：OCL、OTL或BTL电路。完成对音频功率放大器的设计、仿真、装配与调试，并自制直流电源。(2)设计要求①输出功率10W/8Q；频率响应20〜20KHz；效率＞60%；失真小。②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。③利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。④安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。⑤选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、2016年12月查阅资料，确定设计方案；2、2017年01月4日-2017年01月7日完成仿真、制作实物等；3、2017年01月8日-2017年01月9日调试修改；4、2017年01月9日-2017年01月10日完成课程设计报告；5、2016年01月11日完成答辩。指导教师签名：系主任(或责任教师)签名:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"1引言 1\o"CurrentDocument"2音频功率放大器的工作原理及组成 2\o"CurrentDocument"前置放大电路 2\o"CurrentDocument"功率放大电路 2\o"CurrentDocument"3方案设计与选择 4\o"CurrentDocument"功率放大器的选择 4\o"CurrentDocument"OTL互补对称功率放大器 4\o"CurrentDocument"用集成器件TDA2030实现 5基于TDA2030的双电源互补对称功放 6基于TDA2030的双电源桥式推挽互补对称功放 6\o"CurrentDocument"比较与选择 8\o"CurrentDocument"整体电路 8\o"CurrentDocument"主要元件：TDA2030 8\o"CurrentDocument"放大电路的基本设计 9\o"CurrentDocument"各模块功能与设计 10\o"CurrentDocument"放大模块 10\o"CurrentDocument"输入模块 11\o"CurrentDocument"4电路原理及分析 13\o"CurrentDocument"电路图 13\o"CurrentDocument"波特图输出如图 13\o"CurrentDocument"输入输出波形仿真 14\o"CurrentDocument"仿真波形情况 14\o"CurrentDocument"灵敏度测量 15\o"CurrentDocument"5实际测试 16\o"CurrentDocument"6主要元件介绍及参数 17\o"CurrentDocument"TDA2030 17\o"CurrentDocument"TDA2030参数 17\o"CurrentDocument"TDA2030介绍 18\o"CurrentDocument"1N4007G基本参数 18\o"CurrentDocument"2N2222A基本参数 18\o"CurrentDocument"7电路仿真与调试 19\o"CurrentDocument"Proteus仿真 19\o"CurrentDocument"Multisim软件对直流稳压电源仿真 20\o"CurrentDocument"8实物展示 21\o"CurrentDocument"9元件清单 22\o"CurrentDocument"10心得体会 23\o"CurrentDocument"参考文献 25摘要音响放大器的设计目的是为了更好的掌握集成功率放大器内部电路工作原理，学会其外围电路的设计与主要性能参数测量方法以及掌握音响放大器的设计与电子线路系统的装试和调试技术。本文主要介绍了基于TDA2030以及LM324的音响功放电路和前置放大电路。其中前置放大电路基于2N2222型号的BJT共集放大电路，功放电路基于TDA2030芯片，功放电路采用单电源互补对称放大电路。关键词TDA2030、射级跟随器输入级、单电源供电的TDA2030基本应用电路。模拟电子技术基础课程设计1引言音频功率放大器是功率集成电路中的一个重要组成部分,并且广泛应用于消费类电子产品中。我国是全球最大的消费类电子商品市场和生产基地,音频功放的需求日益增加，因此研究音频功率放大器具有非常重要的意义。本文中介绍的是有前置放大电路和第二级功放电路构成的印象放大电路，其中前置放大电路主要作用是将通过3.5mm音频插头传入的微弱音频信号进行放大，TDA2030基本应用电路的作用是将前置放大后的音频信号进行二次放大并带动扬声器发声。TDA2030的输出功率大，失真小，有内部保护电路，最大输出功率能够达到35亚左右，其静态电流小，带负载能力强，可带动4〜16Q的扬声器。共集放大电路则具有以下特性：1、输入输入信号与输出信号同相；2、无电压放大作用，电压增益小于1且接近于1，因此共集电极电路又有“电压跟随器”之称；3、电流增益高，输入回路中的电流«输出回路中的电流和"；4、有功率放大作用；5、适用于作功率放大和阻抗匹配电路。模拟电子技术基础课程设计2音频功率放大器的工作原理及组成音频功率放大器最主要组成部分是音频放大器，用于对各种音源输出的音频信号进行加工处理和不失真的放大，使之达到一定功率，然后去推动扬声器发声。音频功率放大器一般由两部分组成，第一部分是前置放大器，第二部分是功率放大器。音频功率放大器的系统框图如图2.1。前置放大（对输入的音频信

号进行处理）功放电路（对音频信号进一步放

大并推动扬声器发声）前置放大（对输入的音频信

号进行处理）功放电路（对音频信号进一步放

大并推动扬声器发声）图2.1音响放大器的系统框图前置放大电路日常生活中话筒的输出信号非常小，若直接通过功放电路输出则可能达不到功率要求，故应采用前置放大电路对输入信号进行第一次放大。前置放大器是把音频信号放大，使放大后的信号在功率放大器的输入范围内。音响放大器输入的声音差别很大，输出电压范围也很大。前置放大器的主要作用有以下两个：第一是阻抗相匹配，第二是电压幅度和灵敏度相匹配。前置放大器的要求一是功率管的噪声要很低，二是保证它的频带足够宽，这样才可以保证信号不失真的输出。功率放大电路功放应该具有向负载输出大信号功率的能力，即负载电阻上的信号电流、电压的幅度都要求较大。功率放大器的主要任务是向额定的负载输出额定的“不失真”信号功率。功率放大器是整个放大器系统的主体部分。它的设计制作水平对整个系统的音质起着十分重要的作用。功率放大电路的性能指标有以下几个：（1）输出功率：输出功率是指功率放大器负载上所能获得的功率。直接决定了功率放大电路的放大效果，是评定功放电路的主要性能指标。本次课程设计所要求的输出功率为8W。（2）频率响应：当频率超出放大电路的通频带时输出信号会有明显的衰减，所以模拟电子技术基础课程设计在设计中应该尽可能的是功放电路的通频带包含20Hz〜20kHz的人可以听见的频率范围（本次课程设计要求20Hz〜20kHz）,功放电路的频率响应特性决定了音响电路对不同频率的音频信号的输出效果。（3）输入阻抗：输入阻抗越大则其索取信号能力越强，所以较高的输入电阻可以减少信号的损失。模拟电子技术基础课程设计图3.1模拟电子技术基础课程设计图3.1单电源OTL互补对称功率放大电路3方案设计与选择音频功率放大器电路设计已经比较成熟，前置放大器主要是对信号进行初步放大原理基本相同，效果相差不大故在此采用较为实用的基本共集电极放大电路。功率放大电路采用基于TDA2030的放大电路，在此对几种普遍使用的功放电路进行介绍并对其主要特性进行比较。功率放大器的选择OTL互补对称功率放大器OTL电路通常由两个对称的异型管构成，因此又称为互补对称电路，图3-1为单电源OTL互补对称功率放大电路。电路中心是推动级(电压放大，也叫激励级)，其中勺1、勺2是心的基极偏置电阻，Re为二发射极电阻，Rb为二集电极负载电阻，它们共同构成T1的稳定静态工作点；t2、t3组成互补对称功率放大电路的输出级，且t2、t3工作在乙类状态;C2C2为输出耦合电容。性能分析：乙类互补推挽功放(OTL)的输出功率的计算公式如下：输出功率："，=%/? (3/)输出最大功率：尸=UI=U^R=U^2R=V2-(8R)：amooo2Iam2IcckV显然Pom与电源电压及负载有关

模拟电子技术基础课程设计（3.2）当输入功率为8W,阻抗8W时，有：（3.2）P=U2+（8R）

omcc另％=8x8x8*22.6V则电路所需的电源为22.6V。用集成器件TDA2030实现TDA2030简介：TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。电路特点：.外接元件非常少。（基本应用电路图3.2）.输出功率大，Po=18W（&=4Q）。.采用超小型封装（TO-220），可提高组装密度。.开机冲击极小。.内含各种保护电路，因此工作安全可靠。主要保护电路有：短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（匕皿”=12^）以及负载泄放电压反冲等。.TDA2030A能在最低士6V最高±22V的电压下工作在±19V、8Q阻抗时能够输出16W的有效功率，THDW0.1%。用它来做电脑有源音箱的功率放大部分或小型功放再合适不过了。图3.2使用单电源供电的TDA2030基本应用电路模拟电子技术基础课程设计基于TDA2030的双电源互补对称功放VEE12V图3.3基于TDA2030的双电源互补对称功放基于TDA2030的双电源桥式推挽互补对称功放模拟电子技术基础课程设计VCC12VVCC12V图3.4双电源桥式推挽功放电路并且使用使用双电源由计桥式推挽功放电路利用双电源供电，最大效率可达78.5%算公式：并且使用使用双电源由计(3.3)知使用双电源时丫欧为单电源的2倍，可以获得更大的输出功率。如图5为双电源互补对称放大电路的图解。模拟电子技术基础课程设计比较与选择通过比较，使用分立元件需要的元件较多，且必须考虑三级管的各种性能上的差异，和保护电路，并且该电路所需要的电源要求较高，功耗也比较大，输出效率比较低。使用集成电路，外围电路简单，容易实现各项功能。运用集成芯片TDA2030完成音频功率放大电路的设计，能够更好地达到设计任务和要求。而桥式推挽功放在相同的条件下，电源利用率（理想情况下）是100%，比OTL或OCL电路提高了50%，TL输出功率是OCL或OTL的四倍但电路形式更为复杂，使用不方便。综上本次课程设计，单电源互补对称放大电路只需要一个电源，并且要求的输出功率为0.5W，单电源互补对称放大电路和桥式推挽功放两种电路均可以满足，故采用单电源互补放大电路。整体电路主要元件：TDA2030TDA2030A的外形和引脚图如图3.1所示。1-同相输入端，2-反相输入端，3-负电源端，4-输出端，5-正电源端。.TDA2030A_2_3_4_5OTDA2030A_2_3_4_5图3.3图31A2030A引脚图TDA2030A音频集成功放主要参数如表3.1所示：

模拟电子技术基础课程设计表3.1TDA2030A音频集成功放主要参数电源电压VCC±3〜±18V输出峰值电流3.5A输入电阻>0.5MQ电压增益30dB频响带宽(BW)0-140kHz3.2.2放大电路的基本设计整体电路设计：使用TDA2030加少量外围元件，输入端使用共集放大电路增加输入阻抗。220UF图220UF图3.4放大器Multisim仿真图.20KQ80Kev^A~R5-VA-151kO

模拟电子技术基础课程设计模拟电子技术基础课程设计3.3各模块功能与设计放大模块根据TDA2030的经典应用电路，在Multisim中的电路如图3.3.1所示。a）电路工作原理：该电路使用15V的单电源供电，TDA2030作为功率放大器，电阻R5和R4构成电压串联负反馈电路，其电压放大倍数：勺/1+—4 （3.3）其值为30.6。b）为了TDA2030能够正常工作，1脚和2脚的电压必须相同。其中R2和R3起分压作用，使1脚的工作电压%，2。22uF的电容是忆/2电压的滤波电容，为防止1脚电压产生大波动。输出端接的1Q电阻和0.1uF电容式防止电路产生自激振荡。c）2个二级管为保护TDA2030作用，防止电源反接时流过电流运放过大。R7为滑动变阻器，改变输入端的电阻，可以改变输入信号的大小。.D4...保所立R3-VW—:d）当电压忆=15V时，电路的输出功率可以达到8.D4...保所立R3-VW—:■R5---VA—151kt)图3.5TDA基本应用电路Multisim仿真10模拟电子技术基础课程设计3.3.2输入模块基本共集放大电路：共集放大电路又叫射极跟随器，放大电路的放大倍数接近1,该放大电路的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，具有“跟随”的作用。它具有输入电阻大（索取信号能量的能力大），输出电阻小（给予负载信号能量的能力大）的特点，可以做多级放大器的输入级。图3.6以共射放大电路作为输入级的Multisim仿真电路如图3.6所示，其中三级管使用2N2222A。放大倍数为100~300倍2N2222A是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压，大电流，小信号的NPN型硅三极管特性：封装：TO92极性：NPN主要参数：60V,0.8A,500mW,300MHZ,HFE=100〜300理论计算：由图可计算得，共集放大电路的放大倍数约等于1。RL负载电阻约为20kQ11模拟电子技术基础课程设计其中输入阻抗的计算，由共集放大电路的输入阻抗公式可得：Ri=Wbe+Q+B)RJ/RM/R2 (3.4)由于2N2222的%约为1k，Re为3K，R2为200k对输入电阻作近似计算R.=(200*3)〃200\150k故此电路的输入阻抗近似为150k12

模拟电子技术基础课程设计4电路原理及分析4.1电路图根据要求，仿真软件选用Multisim和Proteus,在软件中连接电路如图4.1所示:图4.1放大器电路Multisim仿真图波特图输出如图由图4.2可以看出，其仿真的结果，在20Hz-20kHz内的波形放大能力基本保持不变化。符合题目要求。13

模拟电子技术基础课程设计模拟电子技术基础课程设计图4.220Hz——20kHz的输出波特图输入输出波形仿真仿真波形情况选用信号源也出，输入1000丫口，将R7调节到0%的位置。用示波器观察仿真电路的情况。示波器-XEC1黑轴位移骼）：口丫轴位移［格）：0丫轴位移［格）：口而II添加।示波器-XEC1黑轴位移骼）：口丫轴位移［格）：0丫轴位移［格）：口而II添加।丽1声Iii交流ir^n雇耐通道196.676mV196.676mV0.000V触发边沿:水平:通道_B6.004V6.004V0.000V通道B刻度二时基标度：50口u加田通道再刻度： 5口口mVQNT1*.T2*T2-T1时间20.197s20.197s0.000E■国回回国口 |V外触发14模拟电子技术基础课程设计图4.3输入输出波形Multisim仿真图其中，在仿真电路中Auf'30.6由上图仿真可得，当输入为196.676mV时，输出值为6.004V。则放大倍数Auf=6.004/0.1967\30.5。与近似计算理论值30.6比较接近。符合要求。4.3.2灵敏度测量图4.4出现轻微失真的灵敏度测量Multisim仿真图当继续增大输入电压到100mVp时，输出波形开始出现失真的现象，此时在输入端接入电压表，可以测量得电压为144mV。则输入灵敏度为144mV。15模拟电子技术基础课程设计5实际测试图5.1输出波形设置图5.2输出波形图由图中可以看出，实物能够起到放大作用，并且调整输出功率在相应要求内，波形相应变化且不失真。符合要求。16模拟电子技术基础课程设计6主要元件介绍及参数6.1TDA20306.1.1TDA2030参数电源电压*22V斯人电国伽）VSV基耐人电压但仍〕±15V峰断出电海门"3.5A耗枝0D建CPtOtXVdi；20W工憎篙mm-40*+1S®flC存酶给温3恸-4C^15O'C[口.外接元件少.[21.输出功率就大，Fc=lfiW(RL=4Q>.[R.采用超小型封装（TO-220）「可提高组装密度,〔幻.开机冲击极小,主要特性[5〕.内含各种保护电踣，因此工作安全可靠一生荽保护电路有：矩路保护、翊保护、地线儡然开路、电源槛性反接CVnax=12V）以及负戴泄放电压皮;中等&16」.T口AZ。30A能在土函到±22T的电比1、J-作。在士1W. 阻抗时能够输出的有效功率，TH□宅0.1砧*图6.1TDA2030参数图6.2TDA2030引脚图17模拟电子技术基础课程设计6.1.2TDA2030介绍TDA2030是德律风根生产的音频功放电路，采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。如图H所示，按引脚的形状引可分为H型和V型。该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。意大利SGS公司、美国RCA公司、日本日立公司、NEC公司等均有同类产品生产，虽然其内部电路略有差异，但引出脚位置及功能均相同，可以互换。图6.3TDA2030封装6.21N4007G基本参数最大平均正向电流(A):1峰值反向电压Vrrm(V):1000最大全周期正向压降VFM(V):1.100最大非重复浪涌电流IFSM(A):30最大反向电流IR(mA):0.010封装/温度(℃):口。41/-65〜1756.32N2222A基本参数极限工作电压:60V最大电流允许值:0.8A最大工作频率:<1MHZ未知引脚数:3最大耗散功率:0.5W放大倍数：B>10018

模拟电子技术基础课程设计7电路仿真与调试本次课程设计选择的Multisim和Proteus两种仿真软件，以上只列出了Multisim一种软件的仿真，在合作之下，我们做出了Proteus的仿真，如下。Proteus仿真图7.2直流稳压电源和放大器电路的Proteus仿真19模拟电子技术基础课程设计Multisim软件对直流稳压电源仿真:［山勺1丁代H:图7.3直流稳压电源的Multisim仿真D5万用表-XMM1 X15.203V「设置…-图7.4Multisim中万用表测直流稳压电源输出端20模拟电子技术基础课程设计8实物展示图8.1稳压直流电源和放大器实物正面图8.2稳压直流电源和放大器实物背面21模拟电子技术基础课程设计9元件清单元件清单如表9.1：表9.1元件清单名称规格数量名称规格数量电阻100kQ2电容2200uF1电阻100Q2电容4.7uF1电阻4.7kQ1电容1uF1电阻51kQ1电容0.1uF1电阻1Q1电容220uF2电阻20kQ1BJTIN40077电阻3kQ1插头1电阻200kQ1芯片LM317AH1电阻300Q1运放TDA20301电阻3kQ1喇叭1电容1uF2话筒122模拟电子技术基础课程设计10心得体会此次课程设计验证了TDA2030基本应用电路和共集放大电路的组合对音频信号的放大，自主选择了元件参数并参与选购，做出了音频功率放大器和直流稳压电源的实物并且进行了测试。在此过程中发现自己独立设计电路的能力不足，在直流稳压电源的第一次设计时，未考虑到电容的最高击穿电压甚至接反了电容正负极，这直接导致了在插上电源过段时间后电路中电容的爆炸。在实际测试过程中发现理论可行跟实际可行之间有一定的偏差，再设计电路时应该综合考虑元件实际的误差和运行时发热等对其参数的影响。更有在实物中线路的电阻问题，这与在软件上仿真是完全不同的。通过本次课程设计，将模拟电子电路中的有关功率放大，负反馈，集成运放电路等知识进行了运用，在一次次失败中一点点发现问题然后去修改电路，重新摸索，是一种完全不同的学习方式，在电路的设计过程中发现很多基础的知识都遗忘了所以不得不一次次的重新翻开课本去熟悉相关的内容。在搜集资料的过程中，发现在网络上有很多聚集了很多高水平的电子爱好者的论坛、网站，如电子爱好者之家，在这里寻找资料同时也会被他人精妙的设计所吸引，从而对电子技术产生兴趣，在很多作品中发现理论上的知识在实际运用中需要进行必要的修改和精简，而且很多电路设计中的原理都是相同的掌握了它的本质，就能根据自己的需要进行更改、组合，从而形成新的电路。另外